Se i tachioni sono particelle fisiche capaci di interagire con la materia standard, la loro natura superluminale (v > c) lascerebbe firme distinte e inequivocabili nei rivelatori di particelle. Negli ultimi sei decenni, i fisici sperimentali hanno utilizzato array a tempo di volo, camere a bolle e vasti osservatori sotterranei per neutrini per cercare queste entita sfuggenti.
1. Radiazione Cherenkov nel vuoto
Il vincolo piu rigoroso sull'esistenza di tachioni elettricamente carichi proviene dal fenomeno della radiazione Cherenkov. In un mezzo dielettrico (come acqua o vetro), la luce viaggia piu lentamente di c. Quando una particella carica standard attraversa questo mezzo piu velocemente della velocita di fase locale della luce, emette un cono direzionale di radiazione elettromagnetica, l'equivalente ottico di un boom sonico.
Poiche un tachione viaggia sempre piu veloce di c, un tachione carico emetterebbe radiazione Cherenkov anche nel vuoto perfetto.
Questa emissione spontanea causerebbe al tachione una perdita continua di energia. A causa della relazione invertita energia-velocita dei tachioni (E tende a 0 quando v tende all'infinito), perdere energia causerebbe al tachione un'accelerazione violenta verso la velocita infinita, irradiando la sua energia residua quasi istantaneamente. Le osservazioni astrofisiche del vuoto spaziale non mostrano tali scariche spontanee e continue di radiazione Cherenkov nel vuoto, ponendo limiti inferiori incredibilmente stringenti sulla sezione d'urto di interazione tra ipotetici tachioni e il campo elettromagnetico.
2. Misurazioni del tempo di volo (TOF)
Il metodo piu diretto per rilevare un tachione e misurare la sua velocita su una distanza nota. Gli esperimenti a tempo di volo (TOF) utilizzano scintillatori altamente sincronizzati o rivelatori a tracciamento in silicio distanziati di metri o chilometri.
Se una particella viene generata nel rivelatore A al tempo t_1 e arriva al rivelatore B al tempo t_2, la velocita e semplicemente Δx / Δt. Se questo valore supera c dopo aver tenuto conto degli errori sistematici e della latenza dei cavi di segnale, sarebbe un evento candidato tachionico.
L'anomalia OPERA del 2011
L'esperimento OPERA al Laboratorio del Gran Sasso rappresento la piu famosa anomalia TOF della storia. Neutrini muonici percorsero 730 chilometri dal CERN al Gran Sasso. I calcoli iniziali indicarono che arrivarono 60 nanosecondi prima di quanto avrebbe fatto un fotone nel vuoto (v ≈ c + 2,5 × 10⁻⁵ c). Cio causo una massiccia crisi di paradigma finche l'anomalia non fu ricondotta a un cavo in fibra ottica allentato nel sistema di sincronizzazione GPS. Una volta riparato, i neutrini risultarono perfettamente coerenti con v ≤ c.
3. Massa mancante e firme di massa al quadrato negativa
Nei collisori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC), i tachioni potrebbero teoricamente essere prodotti in collisioni ad alta energia. Poiche i tachioni hanno una massa a riposo immaginaria (m₀ = iμ), il loro quadrato della massa e negativo (m₀² = -μ²).
I fisici cercano queste firme usando la cinematica della massa invariante dei prodotti di decadimento. Misurando meticolosamente l'energia e l'impulso di tutte le particelle in entrata e in uscita da una collisione, possono calcolare la "massa mancante".
Se il (m_missing)² calcolato risulta costantemente e significativamente inferiore a zero (oltre la soglia degli errori di risoluzione del rivelatore), indicherebbe l'emissione di una particella tachionica invisibile che porta via quadrimpulso di tipo spazio. Analisi approfondite dei dati delle camere a bolle e della cinematica moderna ai collisori non hanno ancora prodotto un picco statisticamente significativo di massa al quadrato negativa.
4. Sciami atmosferici di raggi cosmici
I raggi cosmici di altissima energia bombardano la parte superiore dell'atmosfera terrestre, innescando massicce cascate di particelle secondarie note come sciami atmosferici estesi (EAS). Se i tachioni esistono, potrebbero essere prodotti nella collisione primaria iniziale in alta stratosfera.
Poiche i tachioni viaggiano piu veloci della luce, raggiungerebbero i rivelatori a terra prima del fronte dello sciame principale (che consiste di fotoni, elettroni e muoni che viaggiano a velocita uguale o appena inferiore a c). Negli anni '70 e '80, diversi gruppi sperimentali installarono rivelatori di coincidenza per cercare questi segnali "precursori" che arrivano microsecondi prima dello sciame principale di raggi cosmici. Sebbene siano stati registrati alcuni hit precursori anomali, nessuno era statisticamente riproducibile, e sono stati infine attribuiti al rumore casuale dei rivelatori o a raggi cosmici di fondo indipendenti.
Conclusione: il risultato nullo
Decenni di rigorose ricerche empiriche su vaste scale di energia hanno prodotto un profondo risultato nullo. L'assenza di radiazione Cherenkov nel vuoto, la risoluzione dell'anomalia OPERA e l'assenza di cinematica con massa al quadrato negativa suggeriscono fortemente che i tachioni fisici, particelle puntiformi interagenti con la materia, non esistono. Tuttavia, questi risultati sperimentali negativi sono precisamente cio che ha portato la fisica moderna a reinterpretare i tachioni non come particelle in viaggio, ma come campi quantistici instabili.